全国旱情监测预警综合平台建设与应用实践
摘要：针对我国大范围干旱监测预警与旱灾防御信息化建设存在的不足和问题，面向水利部旱灾防御预报、预警、预演、预案“四预”业务需求，提出了全国旱情监测预警综合平台建设方案。通过构建旱情监测数据底板，贯通雨情-水情-墒情-农情-旱情监测链，采用自主研发的考虑下垫面的旱情综合监测评估技术体系，建成全国旱情监测预警综合平台，实现了农作物、林木、牧草、重点湖泊湿地等不同对象的旱情动态监测评估，并在2022年长江流域特大干旱复盘、2023年西北夏秋连旱监测以及2024年华北黄淮夏旱监测中得以应用验证，为干旱灾害防御工作提供了有效技术支撑。为进一步提升旱灾防御的信息化、智能化与精准化水平，平台未来将针对数据、模型方法和实践应用等方面持续完善，拓展“四预”全过程业务体系，为粮食安全、供水安全及生态安全提供更有力保障。
关键词：干旱；监测预警；信息化；旱情综合监测；旱灾防御
01、项目背景
在气候变化背景下，全球干旱形势严峻，呈现趋多、趋频、趋广态势，旱情监测显得愈发重要。2024年《联合国防治荒漠化公约》（UNCCD）指出，受干旱严重影响的地区包括几乎整个欧洲（95.9%的土地）、美国西部地区、巴西、亚洲部分地区（尤其是东亚）和中非等，加强旱情监测成为应对干旱的首要选择。我国21世纪以来几乎每年都发生区域性干旱，如2001年华北黄淮春夏连旱、2006年川渝特大干旱、2010年西南五省大旱、2011年长江中下游大旱、2021年珠江流域大旱和2022年长江流域大旱。频发的干旱对粮食安全、城乡居民用水安全及生态安全构成严重威胁。
为了应对干旱和预防旱灾，美国在1999年通过整合多源数据建成了美国旱情监测系统（U.S. Drought Monitor），并于2003年拓展至整个北美大陆。欧盟于2013年开发建成欧洲旱情监测系统（European Drought Observatory），为整个欧洲地区提供动态旱情监测评估信息。我国以往多面向气象、水文等要素进行干旱监测，但对不同承灾体（如农作物、牧草、湖泊湿地等）受干旱影响的监测相对较少，导致干旱灾害防御数字化和信息化水平不足，无法满足数字孪生和智慧水利等水利新质生产力发展要求。目前我国部分省份虽已建立了旱情监测系统，但无法支撑全国大范围的旱情监测和旱灾防御决策。
为推动水利高质量发展、保障我国水安全，水利部部长李国英多次强调，要精准施策做好抗旱保供保灌，强化旱情监测和中长期预报，科学精准实施水工程抗旱调度及应急水量调度，建立健全应对连续干旱、长期干旱的供水安全保障体系。根据水利部关于加快补齐补强水旱灾害防御体系短板弱项的要求，建设全国尺度的旱情综合监测预警平台，提升旱灾预报、预警、预演、预案“四预”能力，成为水旱灾害防御业务的重点任务和目标。
01、建设目标与总体架构
按照水利部“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”要求，以数字化、网络化、智能化为主线，以数字化场景、智慧化模拟、精准化决策为路径，推进全国旱情监测预警综合平台建设。在已有国家防汛抗旱指挥系统二期工程建设基础上，综合气象、水文、墒情、遥感等多源信息，同步考虑土地利用、灌溉条件、作物类型、物候情况等下垫面因素，开展农作物、林木、牧草、重点湖泊湿地等旱情动态监测评估，实现旱情多源监测信息和下垫面数据的数字化展示，建成首个适用全国尺度的旱情监测预警综合平台，可逐日发布全国公里网格尺度的旱情综合监测“一张图”，实时监测和研判旱情形势。全国旱情监测预警综合平台总体构架由监测感知层、基础设施层、数据服务层、平台支撑层、业务应用层等5个层次和标准规范与运行管理、安全保障与运维保障等两个体系组成（见下图）。
▲全国旱情监测预警综合平台总体架构
项目充分利用国家防汛抗旱指挥二期工程项目相关基础设施设备，主要包括服务器、网络设施、存储设备、安全设施、GIS平台以及数据库平台等，为全国旱情监测预警综合平台正常稳定运行搭建基础运行环境。为适配国产化环境，平台建设在适用国产水利云、国产化分布式数据库Tbase基础上，按照统一规范集成入水利云，保障数据与应用安全。项目新建设的数据服务层是全国旱情监测预警综合平台信息汇集和数据存储与管理的基础，充分利用已有数据库成果，根据业务需要建设旱情监测专用数据库，提供数据访问、数据存储、数据备份、数据挖掘等各项数据管理服务。平台支撑层为业务应用层提供统一的技术架构、运行环境，包括通用的基础支撑服务、“一张图”支撑服务、移动端支撑服务以及气象干旱监测产品制作、水文干旱监测产品制作、旱情综合监测评估产品制作等服务。业务应用层为水利部、省、地市、区县等各级用户提供Web和移动应用服务，是平台应用的核心体现。
02、全国旱情监测预警综合平台建设进展
为进一步提升旱灾防御的数字化、信息化和智能化水平，围绕旱灾“四预”业务需求，以旱情监测数据底板、单指标旱情监测模型库、旱情综合监测评估技术为基础，开展全国旱情监测预警综合平台建设。
1.旱情监测数据底板
为做好精细化网格尺度的旱情监测评估，在国家防汛抗旱指挥系统二期工程数据库现有的实时雨水情监测体系、墒情监测体系及历史和动态旱情统计上报体系的基础上，通过数据资源汇集、存储和管理，建设全国旱情监测预警综合平台的数据底板，提供旱情相关数据存储、数据备份、数据挖掘和共享访问等数据管理服务。数据底板由地理空间数据、基础数据、监测数据、业务管理数据、外部共享数据等构成（见下表）。地理空间数据主要包括全国30m土地利用、地形高程、灌区分布、主粮作物（小麦、玉米、水稻）分布等。基础数据涉及全国各级行政区划、三级流域划分以及300多个主要河道站、9000多座报汛水库的基础属性信息等。监测数据汇集了水利部信息中心的雨水情监测数据、遥感旱情监测系统的遥感监测成果和2000多个墒情站土壤湿度监测数据。业务管理数据主要包括全国各省（自治区、直辖市）统计上报的当前作物受旱面积、待播耕地缺水缺墒面积、因旱饮水困难人口和大牲畜数据等。外部共享数据包括气象部门共享的全国近2000个气象站的气象要素监测数据和600多个农气站作物农时资料等。平台所有数据采用高扩展性、高SQL兼容度、完整的国产化分布式TBase数据库进行存储。
▲全国旱情监测预警综合平台主要数据
2.单指标旱情监测模型库
单指标旱情监测模型库主要依托气象、水文、遥感等监测数据构建单指标监测模型。根据地面气象站长序列降雨、温度等数据，按照《气象干旱等级》《区域旱情等级》等相关标准，建立气象干旱监测模型库，主要包括降水距平百分率、连续少雨日数、高温日数、气象干旱综合指数、短期降水距平加权指数、相对湿润度指数等。根据各指标计算结果划分干旱等级，输出站点计算数据、空间区域统计数据等，生成栅格图和表格等格式的旱情监测产品。以雨水情和墒情数据为依托，按照《实时雨水情数据库表结构与标识符》《农业干旱等级》等国家和行业相关标准要求，设计开发了水文干旱监测模型库，主要包括江河来水量距平产品、水库蓄水统计（距平、同比、环比、有效蓄水率）产品、枯水告警产品、土壤墒情产品等。按照《水旱灾害遥感监测评估技术规范》，基于MODIS中等分辨率遥感数据产品，构建遥感旱情监测模型库，主要包括温度状态指数和归一化水体指数等，实现全国范围1km旱情遥感监测，主要评估植被覆盖度较高地区旱情和水体面积变化情况。
3.考虑下垫面的旱情综合监测评估技术体系
面向“精准范围、精准对象、精准时段、精准措施”的干旱灾害防御要求，研究团队采用自主研发的考虑下垫面的旱情综合监测评估技术体系，基于气象、水文、墒情、遥感等多源监测数据，考虑土地利用、作物类型、作物农时、灌区分布等下垫面条件，开发建设全国旱情监测预警综合平台，其技术框架见下图。
▲考虑下垫面的旱情综合监测评估技术框架
旱情综合监测评估技术体系包含分区分类旱情指标筛选技术、指标阈值动态率定技术、旱情多指标综合技术和分布式旱情综合监测产品绘制技术等4项关键技术。
①分区分类旱情指标筛选技术在区分耕地、林地、草地和重点湖泊湿地等类型基础上，采用皮尔逊相关法和随机森林等方法，从单指标模型库筛选适宜各分区特点且关联不同受旱对象的评估指标，当评估对象为耕地时，动态识别当前在田作物类型，判定作物生育阶段并结合作物需水特性筛选适宜指标；
②指标阈值动态率定技术区分标准化指标和非标准化指标，结合监测区域实际受旱情况采用累计频率法对非标准化指标的干旱等级阈值进行动态率定调整；
③旱情多指标综合技术采用众数法、模糊数学法、代表性指标法等，对筛选的干旱指标划分权重后进行综合计算，输出每一个计算单元的旱情综合监测评估结果；
④最后采用分布式旱情综合监测产品绘制技术逐日自动生成1km×1km网格的旱情综合监测“一张图”。
国际上其他国家或地区的旱情监测系统，如美国旱情监测系统目前也采用多个旱情指标的综合加权，但在综合旱情监测结果基础上只是叠加了作物图层，表征受旱地区影响的作物种植面积；而叠加的作物可能并未处于生长期，无法反映耕地或作物受旱面积。此次建设的全国旱情监测预警综合平台采用考虑下垫面的旱情综合监测评估技术，在多个旱情指标综合时尽可能精确刻画下垫面的特性。如区分作物生长阶段和需水特性，若当前某类作物未处于生长期，则不考虑该类作物的旱情；当作物处于生长旺盛时期，需水强烈，则通过动态调整指标阈值反映该作物当前易受旱的特性。面向“精准范围”，逐日生成的高空间分辨率旱情综合监测结果，可精准动态定位全国各省（自治区、直辖市）、市（州、盟）、县（市、区）当前不同程度旱情分布范围，解决“哪里旱”的问题；面向“精准对象”，综合监测结果展示全国农作物、林木、牧草、重点湖泊湿地、因旱人畜饮水困难等不同承灾对象的实时旱情，解决“什么旱”的问题；面向“精准时段”，通过研判全国主要作物生长周期，掌握受旱地区作物生育阶段与需水程度，解决“旱多久”的问题；面向“精准措施”，通过分析灌区范围、水库实时蓄水情况、农村供水工程规模及分布等，为“怎么办”提供决策依据。
4.全国旱情监测预警综合平台功能
贯通雨情-水情-墒情-农情-旱情等全方位监测链，在旱情监测数据底板、模型库、旱情综合监测评估技术基础上，建成全国旱情监测预警综合平台，逐日生成旱情综合监测一张图，支撑旱情监测预警的数字化场景、智慧化模拟、精准化决策。
综合平台功能主要包括综合监测、对比分析、单指标监测、监测与上报对比、会商发布、系统管理等六大功能模块。
①综合监测模块提供了旱情综合监测结果与农作物、因旱饮水困难、林木、牧草、重点湖泊湿地等不同对象监测结果的查询与统计分析，展示不同旱情等级（轻旱、中旱、重旱、特旱）对应的空间分布图，农作物旱情监测可动态查询在田作物类型、生长阶段、主粮作物需水程度等详细信息，为精准掌握受旱对象提供支撑；
②对比分析模块包含旱情对比和旱情演变两个子模块，展示同一指标不同时间段或同一时间段不同指标的旱情监测对比结果，可用于区分全国各地区不同干旱类型以及干旱的演变过程；
③单指标监测模块展示了气象、水文、遥感等20余个单指标旱情监测产品，为精准分析不同类型干旱的范围、程度及发展趋势提供了重要依据；
④监测与上报对比模块为旱情现场核查和系统监测校正提供了端口，包括手机端App与Web端软件上报2种方式。通过将现场拍摄、记录的旱情信息逐级上报、逐级审核，对监测旱情等级进行校核，提升旱情监测评估的精准性；
⑤会商发布模块基于旱情综合监测评估结果，辅助专题会商业务场景，将相关的气象、水文、作物、旱情评估、旱警等信息汇总展示，为抗旱措施的精准实施和决策提供支撑；
⑥系统管理模块主要考虑全国、省、市、县等不同类型用户对平台相关信息和功能进行管理设置，如用户类型、角色权限、单指标监测产品和访问日志等。
04、平台应用情况
全国旱情监测预警综合平台以实时监测感知、数据底板、单指标模型库、旱情综合监测评估技术为基础，围绕抗旱减灾核心目标，实现了旱情监测预警的实时化、数字化、网格化，初步建成了“逐日监测—每周发布简报—10天风险研判”的旱情监测预警机制，分区域分对象分时段分析研判旱情发展趋势，及时发出干旱预警，从建设期到目前业务化运行为全国范围的旱情监测、旱灾防御发挥了重要支撑作用。
1.2022年长江流域特大干旱复盘
全国旱情监测预报综合平台在建设期对2022年长江流域特大干旱孕育过程进行了复盘和验证（见下图）。7—10月长江流域累计面雨量比多年平均值偏少约四成，中下游地区8—9月降水量同比偏少甚至超过七成，导致出现1961年以来最严重的气象水文干旱。7月长江上游旱情开始露头，并迅速向中下游蔓延；8月中下旬旱情已发展至四川、重庆、湖北、湖南、安徽、江西、河南、贵州、江苏和陕西等10个省（直辖市）；9月上旬西南、江淮等地出现强降雨过程，气象干旱逐渐缓解。水文干旱的发展过程总体滞后于气象干旱，重点断面的来水监测结果显示，8月江河来水偏少约五成，9月偏少近七成，10月仍偏少六成以上。
▲长江流域月降水距平百分率动态变化
▲长江流域实测土壤相对湿度动态变化
严重的气象水文干旱同时导致了农业干旱的持续。8月旱情迅速发展，中下旬长江流域大范围土壤缺墒。统计数据显示，8月下旬耕地受旱面积已达6632万亩，此时上游水稻大部分进入灌浆结实期，部分处于抽穗扬花期，中下游一季稻处于拔节孕穗期，双季晚稻处于返青分蘖期。水稻抽穗灌浆期对温度、水分反应敏感，是产量形成和丰收关键期，也是灌溉用水高峰期。平台8月25日动态监测结果显示，长江流域耕地受旱面积约6915万亩，与统计结果相对误差为4.3%。9月耕地旱情仍在持续，至10月底，随着秋粮作物陆续收割、群众生活用水通过应急供水措施得以基本保障，流域干旱才基本解除。通过平台动态监测的土壤墒情和耕地受旱情况可为抗旱应急调水提供重要参考。
2.2023年西北夏秋连旱监测应用
2023年8月，我国西北地区长期未降雨，大部分地区连续少雨日超过30天，持续气象干旱导致农作物受旱并出现较为严重的饮水困难情况。全国旱情监测预警综合平台动态监测结果实时显示了我国西北地区的旱情发展态势。根据8月20日统计数据，内蒙古、陕西、甘肃和宁夏各省（自治区）耕地受旱面积分别为1310.58万亩、369.43万亩、248.18万亩、227.69万亩，平台23日监测的受旱面积分别为1234.52万亩、419.31万亩、262.08万亩、181.33万亩，监测结果与统计上报结果基本一致，有效展示了旱情分布情况，受旱区域主要集中在内蒙古鄂尔多斯、乌兰察布、锡林郭勒，陕西榆林，甘肃武威、金昌、酒泉、张掖和宁夏固原、吴忠、中卫等地区。除了农作物旱情监测，西北地区牧草受旱面积监测结果约2.9亿亩，受旱牧区同时面临着人畜饮水困难情况，综合监测结果为不同对象的抗旱减灾措施实施和尽可能降低经济损失发挥了作用。
3.2024年华北、黄淮夏旱监测应用
2024年5月，华北、黄淮、江淮等地降水偏少，加之高温天气，出现待播耕地缺墒和已播作物受旱情况。针对此次突发性大范围干旱，北方地区省级抗旱业务系统无法进行有效监测，且统计数据时效性不足，无法反映旱情发展过程。基于全国旱情监测预警综合平台，综合气象、水文、墒情、遥感等多源监测信息，采用自主研发的旱情综合监测评估技术，开展了各省农作物旱情发展过程监测分析（见下图）。6月以来，华北、黄淮等北方地区8个省耕地受旱面积呈现先增大后逐渐减小趋势。其中河南省旱情变化较为显著，6月上旬，河南省耕地受旱面积快速增大，高峰期接近3000万亩；随着水利工程抗旱灌溉措施实施和区域降雨影响，6月16日以后旱情得到缓解。6月下旬，河北、山东和山西3个省受旱面积相对较大，监测和统计结果显示均超过700万亩。6月26日结果显示，受旱严重区域主要包括河北张家口、沧州、保定，山西运城、忻州、吕梁、晋中以及山东临沂、潍坊、泰安等地市。
▲2024年华北黄淮地区夏旱期间 8个省耕地受旱面积变化分析
05、展望
依托国家防汛抗旱指挥二期工程已建的监测感知体系和基础设施设备，贯通雨情-水情-墒情-农情-旱情监测链，以旱情监测数据底板、模型库和考虑下垫面的旱情综合监测评估技术体系为基础，建成了首个全国尺度的旱情监测预警综合平台，并在2022年以后历次典型区域干旱事件中发挥作用。此外，依托平台监测的当前旱情并接入未来10天降水预报数据，开展了未来旱情风险分析，预测旱情态势。但为更好地满足抗旱工作要求，提升旱灾防御的信息化、智能化与精准化水平，平台需进一步完善，如由于墒情监测站点少且分布不均，未来可结合地面监测数据对遥感土壤水分数据进行降尺度，弥补墒情监测空间精度不足的问题；考虑下垫面的旱情综合监测评估技术涉及参数多，且不同对象的参数化方案在时空尺度的率定验证仍需持续开展。因此未来需通过增加数据观测网站点密度、优化模型算法和参数、完善旱情校核功能，拓展预报、预警、预演、预案“四预”全面业务功能，增强旱灾防御“四预”全过程分析能力。平台建设完善需锚定“确保城乡居民饮水安全，确保规模化养殖和大牲畜用水安全，全力保障灌区农作物时令灌溉用水”旱灾防御目标，进一步提升“四个精准”水平，为最大限度减轻干旱影响和损失提供更好的支撑作用。
